JP2005303503A - Negative impedance converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負性インピーダンス変換器を簡単に構成するための回路構成技術に関する。 The present invention relates to a circuit configuration technique for easily configuring a negative impedance converter.
従来、負性インピーダンス変換器は、負性抵抗として用いられるもの以外には、主としてフィルタ回路用の負性リアクタンス素子の実現等に使用されている。その回路構成で代表的なものとして、オペアンプに正、負の両帰還を適用して構成したものがある。このオペアンプを使用した負性インピーダンス変換器として本願出願人が出願した特願２００３−１３１１８８号があった。この負性インピーダンス変換器は、インピーダンス素子に対して負帰還ループを形成するように、２つのオペアンプを使用したものである。
しかしながら、オペアンプを使用する負性インピーダンス変換器は、適用周波数は比較的低い領域に限られるという問題があった。そこで、オペアンプの代わりに適用周波数の制限のないデスクリートのトランジスタを使用したトランジスタ増幅器が考えられるが、トランジスタ増幅器によるものは、負性抵抗変換器には種々用いられているものの負性インピーダンス変換器には殆ど用いられていない。それは、負性インピーダンス変換を行うためには、減算回路と高利得増幅回路を必要とするからで、オペアンプにはこの両者が小さく集積されているので、回路を簡単に構成できるが、これをトランジスタを含めた個別素子を用いて構成しようとすると、部品点数が多くなるので必然的に回路規模は大きくなってしまうからである。 However, the negative impedance converter using the operational amplifier has a problem that the applied frequency is limited to a relatively low region. Therefore, a transistor amplifier using a discrete transistor with no applicable frequency limitation can be considered in place of the operational amplifier. The transistor amplifier is a negative impedance converter, although it is used in various negative resistance converters. Is rarely used. This is because, in order to perform negative impedance conversion, a subtracting circuit and a high gain amplifying circuit are required. Since both of these are integrated in the operational amplifier, the circuit can be easily configured. This is because, if an attempt is made to use individual elements including the number of parts, the number of parts increases, which inevitably increases the circuit scale.
また、トランジスタ増幅器を用いて構成する場合は、どのような減算回路にするかが問題となり、特にオペアンプに使われているような差動増幅器で構成する減算回路は、以下のような理由により不利である。すなわち、オペアンプでは差動入力にするため２つのトランジスタのエミッタ同士を直接接続する構成にしてあり、このため、互いに他方のエミッタを駆動することになる。これにより減算動作が行なわれるが、駆動される方は、基本的にはベース接地増幅器として働くので、ベース電位が固定されていれば、そのトランジスタ固有の最大増幅度で動作する。しかし実際には、ベース−接地間の信号入力側のインピーダンスはゼロではないため、ベース電流を通じてベース、エミッタの両電位が相互に干渉し合い、このため負帰還が生じる。その程度は個々のケースによって異なるから、この減算回路の利得は信号入力側インピーダンス次第ということになり、この減算回路に増幅利得を期待することはできないという問題があった。 In addition, in the case of using a transistor amplifier, there is a problem as to what kind of subtraction circuit is used. In particular, a subtraction circuit including a differential amplifier such as that used in an operational amplifier is disadvantageous for the following reasons. It is. That is, the operational amplifier has a configuration in which the emitters of the two transistors are directly connected to make a differential input, and therefore, the other emitter is driven. Thus, the subtraction operation is performed. However, the driven one basically functions as a grounded base amplifier, and therefore operates at the maximum amplification factor specific to the transistor if the base potential is fixed. However, in practice, since the impedance of the signal input side between the base and the ground is not zero, the base and emitter potentials interfere with each other through the base current, and thus negative feedback occurs. Since the degree differs depending on each case, the gain of the subtracting circuit depends on the impedance on the signal input side, and there is a problem that the amplification gain cannot be expected for the subtracting circuit.
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、オペアンプが利用できないような高い周波数領域でも十分動作可能であり、しかも回路構成が簡単な負性インピーダンス変換器を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and provides a negative impedance converter that can operate sufficiently even in a high frequency region where an operational amplifier cannot be used and has a simple circuit configuration. Is an issue.
本発明は、上記課題を解決するために、加算器、同相増幅器、位相反転器を備え、前記加算器の２つの入力の一方を入力端子、あるいは終端素子接続端子に、前記加算器の他方の入力を終端素子接続端子、あるいは入力端子に接続すると共に、前記加算器出力を前記増幅器に加え、前記増幅器出力を２つに分け、一方の出力を帰還抵抗を通じて終端素子接続端子、あるいは入力端子に帰還することにより正帰還回路を構成し、他方の出力を位相反転器と帰還抵抗を通じて入力端子、あるいは終端素子接続端子に帰還することにより負帰還回路を構成することにより、入力端子から見た入力インピーダンスを、終端素子の極性を反転したインピーダンスに変換するように構成したことを要旨とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention includes an adder, an in-phase amplifier, and a phase inverter, and one of the two inputs of the adder is used as an input terminal or a terminal element connection terminal, and the other of the adder is used as the other terminal. The input is connected to the termination element connection terminal or the input terminal, and the adder output is added to the amplifier, the amplifier output is divided into two, and one output is connected to the termination element connection terminal or the input terminal through a feedback resistor. The positive feedback circuit is configured by feedback, and the other output is fed back to the input terminal or the termination element connection terminal through the phase inverter and the feedback resistor. The gist is that the impedance is configured to be converted into an impedance obtained by inverting the polarity of the termination element.
また、本発明は、加算器、同相増幅器、位相反転器を備え、前記加算器の２つの入力の一方を入力端子、あるいは終端素子接続端子に、前記加算器の他方の入力を終端素子接続端子、あるいは入力端子に接続すると共に、前記加算器出力を前記増幅器に加え、前記増幅器出力を２つに分け、一方の出力を位相反転器と帰還抵抗を通じて終端素子接続端子、あるいは入力端子に帰還することにより負帰還回路を構成し、他方の出力を帰還抵抗を通じて入力端子、あるいは終端素子接続端子に帰還することにより正帰還回路を構成することにより、入力端子から見た入力インピーダンスを、終端素子の極性を反転したインピーダンスに変換するようにも構成することもできる。 The present invention further includes an adder, an in-phase amplifier, and a phase inverter, wherein one of the two inputs of the adder is an input terminal or a termination element connection terminal, and the other input of the adder is a termination element connection terminal. Or the adder output is added to the amplifier, the amplifier output is divided into two, and one output is fed back to the termination element connection terminal or the input terminal through a phase inverter and a feedback resistor. Thus, a negative feedback circuit is configured, and a positive feedback circuit is configured by feeding back the other output to an input terminal or a termination element connection terminal through a feedback resistor. It can also be configured to convert the impedance to an inverted polarity.
また、本発明は、加算器、反転増幅器、位相反転器を備え、前記加算器の２つの入力の一方を入力端子、あるいは終端素子接続端子に、前記加算器の他方の入力を終端素子接続端子、あるいは入力端子に接続すると共に、前記加算器出力を前記増幅器に加え、前記増幅器出力を２つに分け、一方の出力を帰還抵抗を通じて終端素子接続端子、あるいは入力端子に帰還することにより負帰還回路を構成し、他方の出力を位相反転器と帰還抵抗を通じて入力端子、あるいは終端素子接続端子に帰還することにより正帰還回路を構成することにより、入力端子から見た入力インピーダンスを、終端素子の極性を反転したインピーダンスに変換するように構成してもよい。 In addition, the present invention includes an adder, an inverting amplifier, and a phase inverter. One of the two inputs of the adder is an input terminal or a termination element connection terminal, and the other input of the adder is a termination element connection terminal. Or the adder output is added to the amplifier, the amplifier output is divided into two, and one of the outputs is fed back to the termination element connection terminal or the input terminal through a feedback resistor. By constructing a circuit and constructing a positive feedback circuit by feeding back the other output to the input terminal or terminal connection terminal through the phase inverter and feedback resistor, the input impedance viewed from the input terminal is You may comprise so that it may convert into the impedance which reversed the polarity.
また、本発明は、加算器、反転増幅器、位相反転器を備え、前記加算器の２つの入力の一方を入力端子、あるいは終端素子接続端子に、前記加算器の他方の入力を終端素子接続端子、あるいは入力端子に接続すると共に、前記加算器出力を前記増幅器に加え、前記増幅器出力を２つに分け、一方の出力を位相反転器と帰還抵抗を通じて終端素子接続端子、あるいは入力端子に帰還することにより正帰還回路を構成し、他方の出力を帰還抵抗を通じて入力端子、あるいは終端素子接続端子に帰還することにより負帰還回路を構成することにより、入力端子から見た入力インピーダンスを、終端素子の極性を反転したインピーダンスに変換するように構成することもできる。 In addition, the present invention includes an adder, an inverting amplifier, and a phase inverter. One of the two inputs of the adder is an input terminal or a termination element connection terminal, and the other input of the adder is a termination element connection terminal. Or the adder output is added to the amplifier, the amplifier output is divided into two, and one output is fed back to the termination element connection terminal or the input terminal through a phase inverter and a feedback resistor. Thus, a positive feedback circuit is configured, and a negative feedback circuit is configured by feeding back the other output to the input terminal or the termination element connection terminal through a feedback resistor, whereby the input impedance viewed from the input terminal is It can also be configured to convert the impedance to an inverted polarity.
また、本発明は、２つの反転増幅器、位相反転器を備え、一方の反転増幅器の入力を入力端子、あるいは終端素子接続端子に、他方の反転増幅の入力を終端素子接続端子、あるいは入力端子に接続すると共に、２つの反転増幅器出力を並列接続し、前記反転増幅器の出力を２つに分け、一方の出力を位相反転器と帰還抵抗を通じて終端素子接続端子、あるいは入力端子に帰還することにより正帰還回路を構成し、他方の出力を帰還抵抗を通じて入力端子、あるいは終端素子接続端子に帰還することにより負帰還回路を構成することにより、入力端子から見た入力インピーダンスを、終端素子の極性を反転したインピーダンスに変換するようにしてもよい。 In addition, the present invention includes two inverting amplifiers and a phase inverter. The input of one inverting amplifier is used as an input terminal or a termination element connection terminal, and the other inverting amplification input is used as a termination element connection terminal or an input terminal. In addition, two inverting amplifier outputs are connected in parallel, the output of the inverting amplifier is divided into two, and one output is fed back to a termination element connection terminal or input terminal through a phase inverter and a feedback resistor. Configure a feedback circuit, and configure the negative feedback circuit by feeding back the other output to the input terminal or termination element connection terminal through the feedback resistor, thereby inverting the input impedance viewed from the input terminal and the polarity of the termination element You may make it convert into the impedance which did.
さらに、本発明は、２つの反転増幅器およびコレクタ−エミッタ分割回路や変成器等の平衡出力回路を備え、一方の反転増幅器の入力を入力端子、あるいは終端素子接続端子に、他方の反転増幅器の入力を終端素子接続端子、あるいは入力端子に接続すると共に、２つの反転増幅器出力を並列接続し、前記反転増幅器の出力を前記コレクタ−エミッタ分割回路や変成器等の平衡出力回路に加えて、反転増幅器の入力信号と同相出力および逆相出力を得て、この同相出力または逆相出力から帰還抵抗を通じて入力端子、あるいは終端素子接続端子に帰還することにより負帰還回路を構成し、前記平衡出力回路から帰還抵抗を通じて終端素子接続端子あるいは入力端子に帰還することにより負帰還回路を構成することにより、入力端子から見た入力インピーダンスを、終端素子の極性を反転したインピーダンスに変換するように構成することも可能である。 Furthermore, the present invention includes two inverting amplifiers and a balanced output circuit such as a collector-emitter dividing circuit and a transformer, and the input of one inverting amplifier is used as an input terminal or a terminal connection terminal, and the input of the other inverting amplifier is used. Is connected to a termination element connection terminal or an input terminal, and two inverting amplifier outputs are connected in parallel, and the output of the inverting amplifier is added to a balanced output circuit such as the collector-emitter divider circuit or transformer, and an inverting amplifier. A negative feedback circuit is constructed by obtaining an in-phase output and an anti-phase output from the input signal of the output signal, and feeding back from the in-phase output or the anti-phase output to the input terminal or the terminal connection terminal through the feedback resistor. By constructing a negative feedback circuit by feeding back to the termination element connection terminal or input terminal through the feedback resistor, the input viewed from the input terminal Impedance, it may be configured to convert the impedance obtained by inverting the polarity of a terminal device.
上記構成によれば、簡単な回路で高周波帯でも使用できる負性インピーダンス変換器を構成することができる。したがって本発明の負性インピーダンス変換器を用いれば、負性キャパシタや負性インダクタを容易に得ることができるから、容量値、インダクタンス値等の補正や負性インピーダンスを必要とするフィルタの構成が容易となる。 According to the said structure, the negative impedance converter which can be used also in a high frequency band with a simple circuit can be comprised. Therefore, if the negative impedance converter according to the present invention is used, a negative capacitor and a negative inductor can be easily obtained. Therefore, it is easy to correct a capacitance value, an inductance value, and a filter that requires a negative impedance. It becomes.
発明に係る負性インピーダンス変換器を実施するための最良の形態について図を参照して詳細に説明する。
図１は負性インピーダンス変換器を示す等価回路である。図１において、１，２は負性インピーダンスを呈する本回路の入力端子、３，４は終端素子接続用端子、ＡＤＤは加算器、ＡＭＰは増幅器、ＩＮＶは位相反転回路、Ｒ１、Ｒ２は帰還抵抗、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は各接続点の電圧、I１は回路の電流、Ｚは終端用インピーダンスである。ＡＭＰを同相増幅器とし、その増幅度をＡ１、位相反転回路ＩＮＶの増幅度を−１とすれば、つぎの（１）、（２）、（３）式が成立する。
The best mode for carrying out the negative impedance converter according to the invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an equivalent circuit showing a negative impedance converter. In FIG. 1, 1 and 2 are input terminals of this circuit exhibiting negative impedance, 3 and 4 are termination element connection terminals, ADD is an adder, AMP is an amplifier, INV is a phase inverting circuit, and R 1 and R 2 are Feedback resistors V 1 , V 2 , and V 3 are voltages at respective connection points, I 1 is a circuit current, and Z is a termination impedance. When the AMP is an in-phase amplifier, the amplification degree is A 1 , and the amplification degree of the phase inverting circuit INV is −1, the following equations (1), (2), and (3) are established.
以上の説明は、位相反転回路ＩＮＶが加算器２入力のうちの入力端子側に入っている場合であったが、これは加算器２入力の何れの側に挿入してもよく、図２の等価回路は位相反転回路ＩＮＶを終端素子側に入れた場合である。増幅器が同相増幅器ならば、この反転回路を入れた方が負帰還回路となり、増幅器が反転増幅器とすれば、この位相反転回路を入れた方が正帰還回路となる。したがって、単なる増幅器と加算器と位相反転回路(利得＝−1)を用いる方が、より簡単で増幅度も取れると云える。この場合、増幅器と加算器は、通常のエミッタ接地形増幅器２つのコレクタを並列に接続すればよく、この方法によれば、殆ど合成損失なく加算できる。それは、通常、コレクタ出力抵抗よりも負荷抵抗の方がかなり小さいから、並列に接続しても負荷抵抗の値には殆ど影響を与えないからである。また、この反転回路の代わりにコレクタ−エミッタ分割回路を用いてもよいし、場合によっては変成器等の平衡出力を有する回路を用いてもよい。 The above description is for the case where the phase inverting circuit INV is on the input terminal side of the adder 2 input, but this may be inserted on either side of the adder 2 input, as shown in FIG. The equivalent circuit is a case where the phase inverting circuit INV is placed on the terminating element side. If the amplifier is an in-phase amplifier, the one with this inverting circuit is a negative feedback circuit, and if the amplifier is an inverting amplifier, the one with this phase inverting circuit is a positive feedback circuit. Therefore, it can be said that the use of a simple amplifier, an adder, and a phase inversion circuit (gain = −1) is simpler and can provide a higher amplification degree. In this case, the amplifier and the adder may be connected to two collectors of a common emitter-grounded amplifier in parallel. According to this method, addition can be performed with almost no combined loss. This is because the load resistance is usually much smaller than the collector output resistance, so that even if connected in parallel, the value of the load resistance is hardly affected. Further, a collector-emitter dividing circuit may be used instead of the inverting circuit, and a circuit having a balanced output such as a transformer may be used depending on the case.
これら個々についての詳細説明は省略するが、増幅器、位相反転器の増幅度が同じならば、すべて式（４）と同じ結果が得られる。また、位相反転器の増幅度が−１でない場合はＲ１またはＲ２が変わったのと同じである。増幅度Ａ１は、一般に、大きければ大きいほど変換リアクタンス値の誤差は小さくなる。簡単にするため、式（４）においてＲ１＝Ｒ２＝Ｚ＝１ｋΩとしたとき、変換誤差を５％に抑えるには増幅度Ａ１は３８ｄＢあればよく、４６ｄＢ得られれば変換誤差は２％にすることができる。４０ｄＢ程度の増幅度ならば、通常のエミッタ接地形増幅回路で容易に得ることができる。 Although a detailed description of each of these will be omitted, the same results as in equation (4) can be obtained if the amplifiers and the phase inverters have the same degree of amplification. Further, when the amplification factor of the phase inverter is not −1, it is the same as the change of R 1 or R 2 . Amplification factor A 1 is generally an error of the greater conversion reactance value decreases. For the sake of simplicity, when R 1 = R 2 = Z = 1 kΩ in equation (4), the amplification A 1 may be 38 dB in order to suppress the conversion error to 5%, and if 46 dB is obtained, the conversion error is 2 %. A gain of about 40 dB can be easily obtained with a normal grounded-emitter amplifier circuit.
図３に本発明の一実施例を示す。図３において、１，２は負性インピーダンスを呈する本回路の入力端子、３，４は終端素子接続用端子、ＣＺは終端用キャパシタ、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３はトランジスタ、Ｒ１、Ｒ２は帰還抵抗、Ｒｂはバイアス電流設定抵抗、Ｖｃｃは電源である。Ｔ１，Ｔ２はエミッタ接地形増幅器で加算器を兼用している。Ｔ３はコレクタ−エミッタ分割形増幅器で平衡出力回路を構成し、両出力ともほぼゲイン１で、コレクタ側は位相が反転されている。エミッタ接地形増幅器は反転増幅器であるから、図中矢印ｐで示す方が正帰還回路であり、矢印ｎで示す方が負帰還回路である。バイアス電流設定抵抗Ｒｂは終端用キャパシタＣＺと並列になるので抵抗値の十分大きいものにする必要があるが、この構成では１００ｋΩ程度になるから、通常の場合は十分である。
これによって、入力端子１，２から見た入力インピーダンスは、Ｒ１＝Ｒ２の場合、−ＣＺになるが、終端素子接続用端子３，４にインダクタＬＺを接続すれば、勿論−ＬＺになる。
FIG. 3 shows an embodiment of the present invention. In FIG. 3, 1 and 2 are input terminals of this circuit exhibiting negative impedance, 3 and 4 are termination element connection terminals, C Z is a termination capacitor, T 1 , T 2 and T 3 are transistors, R 1 , R 2 is the feedback resistor, R b is the bias current setting resistor, the V cc is the power supply. T 1 and T 2 are grounded-emitter amplifiers that also serve as adders. T 3 is the collector - constitute a balanced output circuit in the emitter dividing type amplifier, almost gain 1 also a double output, the collector-side phase is inverted. Since the grounded-emitter amplifier is an inverting amplifier, the direction indicated by arrow p in the figure is a positive feedback circuit, and the direction indicated by arrow n is a negative feedback circuit. The bias current setting resistor R b must be sufficiently large resistance value because in parallel with the terminating capacitor C Z, because of the order 100kΩ in this configuration, in the case of normally sufficient.
As a result, the input impedance viewed from the input terminals 1 and 2 is −C Z when R 1 = R 2. However, if the inductor L Z is connected to the termination
また、コレクタ−エミッタ分割回路は、その入力信号に対し同相と逆相の両出力を持つ回路であるが、このような出力を持つ回路は変成器を用いても得られる。すなわち２次側巻き線の中点を接地すれば、巻き線両端の出力はその入力に対し同相と逆相であるから、コレクタ−エミッタ分割回路の代わりに使用することが出来る。この場合、使用周波数帯域は変成器のそれによって制限されるが、回路構成は若干簡単になる。
尚、上述した実施例は、バイポーラトランジスタを用いて構成したが、勿論、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いても構成できることは当然である。
The collector-emitter dividing circuit is a circuit having both in-phase and anti-phase outputs with respect to its input signal, but a circuit having such an output can also be obtained by using a transformer. That is, if the middle point of the secondary winding is grounded, the outputs at both ends of the winding are in-phase and anti-phase with respect to the input, and can be used instead of the collector-emitter dividing circuit. In this case, the frequency band used is limited by that of the transformer, but the circuit configuration is slightly simplified.
Although the above-described embodiments are configured using bipolar transistors, of course, it is naturally possible to configure using field effect transistors (FETs).
１，２ 負性インピーダンス端子
３，４ 終端素子接続用端子
ＡＤＤ 加算器
ＡＭＰ 増幅器
ＩＮＶ 位相反転回路
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ 接続点の電圧
Ｉ１ 回路の電流
Ｚ 終端用インピーダンス
Ｔ１,Ｔ２,Ｔ３ トランジスタ
Ｒ１、Ｒ２ 帰還抵抗
Ｒｂ バイアス電流設定抵抗
Ｖｃｃ 電源
1, 2
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| JP2004114040A JP2005303503A (en) | 2004-04-08 | 2004-04-08 | Negative impedance converter |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022163461A1 (en) * | 2021-01-28 | 2022-08-04 | 国立大学法人九州大学 | Plasma processing device, high-frequency power supply circuit, and impedance matching method |
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- 2004-04-08 JP JP2004114040A patent/JP2005303503A/en active Pending
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| WO2022163461A1 (en) * | 2021-01-28 | 2022-08-04 | 国立大学法人九州大学 | Plasma processing device, high-frequency power supply circuit, and impedance matching method |
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